超薄光学元件精密加工关键技术

针对超薄光学元件在加工过程中因重力和磨头产生应力形变的特点,提出了一种高效、先进的超薄光学元件综合加工方法。该方法综合运用了精密铣磨、精密抛光、离子束修形等先进技术进行面形控制。在铣磨阶段采用受力分析和误差补偿的方法降低了元件变形引入的面形误差;在抛光阶段通过气囊抛光和沥青抛光的迭代实现了面形快速收敛;在离子束加工阶段充分利用其非接触、无应力的加工特点实现了高精度面形修正。实验选择径厚比为34(边长152 mm,厚度6.35 mm)的方形融石英材料进行加工实验。结果表明:在铣磨、抛光、修形阶段的各项指标都达到了精密光学元件的加工水平,最终的面形精度为PV=25 nm,RMS=1.5 nm。该加工方法可以广泛应用于超薄光学元件的高精度加工。     

大口径光学元件磁流变加工驻留时间求解算法

为了解决大口径光学元件磁流变高精度加工问题,基于矩阵运算模型,提出了SBB(Subspace Barzilai and Borwein)最小非负二乘与自适应Tikhonov正则化相结合的驻留时间快速求解方法。同时,在一次收敛中采用双去除函数优化螺旋线轨迹下光学元件的加工,保证中心区域与全口径面形精度一致。仿真表明该算法与常用Lawson-Hanson最小非负二乘法相比,计算精度一致且求解效率大幅提高。对Φ600mm以彗差为主的光学表面模拟加工,峰谷(PV)值和均方根(RMS)值从初始的2.712λ与0.461λ中心区域全局一致收敛到0.306λ和0.0199λ(λ=632.8nm)。因此,提出的算法能够在有效保证面形收敛精度的同时快速获得稳定可靠的驻留时间分布,为磁流变抛光应用于大口径光学元件提供有力支持。     

碳化硅基底改性硅表面的磁流变抛光

为克服传统抛光方法在硅改性的碳化硅表面抛光存在的不足,采用磁流变抛光在精抛光阶段实现面形误差高效去除和快速收敛。基于实际应用中的对磁流变抛光液的需求,提出了磁流变液的性能要求,并配制了适合改性硅表面抛光的磁流变抛光液,检测所配制的抛光液体的流变特性和分散稳定性,证明了液体具有良好的性能。对口径为130 mm(有效口径为120 mm)的硅改性的同轴非球面碳化硅工件进行实际抛光。经过两个周期约3 h的抛光,面形误差均方根(RMS)从0.051λ(λ=632.8 nm)快速收敛至0.012λ,粗糙度Ra达0.618 nm。验证了所配制的磁流变抛光液满足碳化硅基底改性硅表面的抛光需求,证明了磁流变抛光技术在镜面硅改性后精抛光阶段具有独特的优势。     

碳化硅基底改性硅表面的磁流变抛光EI北大核心CSCD

为克服传统抛光方法在硅改性的碳化硅表面抛光存在的不足,采用磁流变抛光在精抛光阶段实现面形误差高效去除和快速收敛。基于实际应用中的对磁流变抛光液的需求,提出了磁流变液的性能要求,并配制了适合改性硅表面抛光的磁流变抛光液,检测所配制的抛光液体的流变特性和分散稳定性,证明了液体具有良好的性能。对口径为130 mm(有效口径为120 mm)的硅改性的同轴非球面碳化硅工件进行实际抛光。经过两个周期约3 h的抛光,面形误差均方根(RMS)从0.051λ(λ=632.8 nm)快速收敛至0.012λ,粗糙度Ra达0.618 nm。验证了所配制的磁流变抛光液满足碳化硅基底改性硅表面的抛光需求,证明了磁流变抛光技术在镜面硅改性后精抛光阶段具有独特的优势。     

3mm厚大口径超薄元件双面抛光工艺北大核心CSCD

基于环摆双面抛光技术,研究了3mm厚大口径超薄元件的双面抛光加工工艺。通过对双面抛光原理的分析,对转速比、抛光垫面形、抛光液等工艺参数上作了优化,并通过加工模拟进行验证。通过工件环分离器减薄技术解决了3mm厚超薄元件的装夹问题。在SYP152双面主动抛光机上进行了加工工艺实验,通过调节转速比实现3mm厚大口径超薄元件面形的高效收敛,验证了加工的可行性,并且达到了面形精度优于1.5λ(λ=632.8nm)、表面粗糙度优于1nm的技术水平。     

反应烧结碳化硅平面反射镜的光学加工

介绍了100mm口径反应烧结碳化硅平面反射镜的光学加工工艺流程。按照流程依次介绍了在粗磨成形、细磨抛光和精磨抛光过程中使用的机床、磨具和磨料以及采用的工艺参数和检测方法。介绍了在光学加工各个步骤中应注意的问题。展示了加工后反应烧结碳化硅平面反射镜的实物照片。给出了面形精度和表面粗糙度的检测结果:面形精度(95%孔径)均方根值(RMS)为0.030λ(λ=632.8nm),表面粗糙度RMS值达到了1.14nm(测量区域大小为603 6μmⅹ448 4μm)。     

离子束抛光轨迹段划分及进给速度求解

针对光学元件高精度确定性加工,提出并实现了基于自适应步长算法实现离子束抛光轨迹段划分及进给速度求解。首先,对常规的等步长算法实现抛光轨迹段划分所存在的诸多问题进行了重点分析。其次,针对这些问题,提出了等效驻留时间轮廓计算方法及自适应步长算法,有效地避免了等步长法所存在的问题。然后,采用新算法对f600 mm平面反射元件进行了实例计算,经加工后,元件98%口径内的面形精度峰谷（PV）值由110.22 nm（/5.7,=632.8 nm）收敛至4.81 nm（/131.6）。最后,基于自研的离子束抛光设备,实现了光学元件在100 mm口径内面形PV值小/70的超高面形精度。     

反应烧结碳化硅球面反射镜的光学加工与检测

介绍了250mm口径、4200mm曲率半径的反应烧结碳化硅球面反射镜光学加工和检测的工艺流程;并按照流程依次介绍了在研磨成型、细磨抛光和精抛光过程中使用的机床、磨具、磨料及采用的工艺参数和检测方法。介绍了在光学加工和检测各个步骤中应注意的问题。展示了加工后250mm口径反应烧结碳化硅球面反射镜的实物照片,并给出了面形精度和表面粗糙度的检测结果:面形精度(95%孔径)均方根值(RMS)为0.037波长(λ=632.8nm),表面粗糙度RMS值达到1.92nm(测量区域大小为603.6ⅹ448.4μm)。     

非球面碳化硅反射镜的加工与检测

为了获得高精度非球面碳化硅(SiC)反射镜,对非球面碳化硅反射镜基底以及改性后碳化硅反射镜表面的加工与检测技术进行了研究。介绍了非球面计算机控制光学表面成型（CCOS）技术及FSGJ-2非球面数控加工设备。采用轮廓检测法和零位补偿干涉检测法分别对碳化硅反射镜研磨和抛光阶段的面形精度进行了检测,并采用零位补偿干涉检测法及表面粗糙度测量仪对最终加工完毕的碳化硅反射镜的面形精度和表面粗糙度进行检测。测量结果表明：各项技术指标均满足设计要求,其中非球面碳化硅(SiC)反射镜实际使用口径内的面形精度（RMS值）为0.016λ(λ=0.6328μm）,表面粗糙度（RMS值）为0.85nm。     

400 mm口径平面窗口元件中频误差控制技术

针对高功率激光装置所需的大口径光学元件,进行了小工具数控抛光中频误差控制工艺研究。对数控加工过程中卷积效应对中频误差的影响进行分析,并建立了残余误差分析模型,对卷积效应所引入的残余误差进行定量分析。利用该模型对中频误差修正工艺参数进行了仿真分析,并进行了修正工艺参数实验验证,确定了全面匀滑最优化参数。在最优化工艺参数的基础上,针对大口径光学元件开展了数控抛光中频误差控制工艺实验验证,使400 mm口径平面窗口元件加工精度达到透射波前PV值为0.27,透射波前PSD1 RMS值为1.67 nm。该实验结果表明,通过400 mm口径平面窗口元件的中频PSD1控制技术研究,使窗口元件能够达到高功率激光装置对中频PSD1的指标要求。     

轻质碳化硅反射镜抛光过程镜面变形影响的研究

轻量化的碳化硅反射镜有自己独特的结构特点,加工中的变形与传统实体反射镜不同,对加工后的面形结果有独特的影响。对一直径为318mm的轻量化碳化硅反射镜进行了传统的研磨抛光,由于镜面变形对抛光结果带来了很大的影响,其面形误差的RMS值在0.048λ(λ=0.6328μma)左右就不再收敛。对抛光状态的镜体进行了有限元分析,探讨了减轻镜面变形对抛光结果影响的方法。采用计算机控制小磨头对该反射镜进行了确定性抛光,有效地降低了镜面形变的影响,使面形满足了精度的要求。     

具有公自转运动模式的高效轮式抛光工具设计

为了提高光学加工效率,缩短大口径光学元件制造周期,本文提出了一种具有公自转运动模式的新型高效抛光方式,对其结构、工作原理以及去除特性进行了研究。首先,介绍了公自转抛光装置机械结构及工作原理。接着,根据Hertz接触理论和Preston方程进行了去除函数建模,讨论了不同转速比情况下的去除函数形状。然后,根据理论模型进行了去除函数实验、工艺参数实验以及稳定性实验,研究了压入深度、转速等工艺参数对去除结果的影响。最后,进行了200 mm口径SiC工件的仿真加工。实验结果表明:在2 mm压入深度、200 rpm转速情况下,去除区域直径为19.23 mm,体去除率达到0.197 mm~3/min,去除效率高于同等去除区域大小的传统小磨头加工方式;仿真加工结果表明:SiC仿真镜经过3.7 h加工,面形从3.008λPV,0.553λRMS提高到0.065λPV,0.005λRMS,收敛效率为达到98.18%。     

多磨头数控抛光对大口径离轴抛物面镜中频误差的抑制

大口径非球面光学元件的面形中频误差对光路中的光斑扩散函数精度以及高能激光的能量散射有着直接的影响,针对该问题,提出一种计算机控制的多磨头组合抛光技术,用于对非球面元件中频误差的有效控制。对半刚性抛光盘抛光过程进行了力学有限元分析,并基于Bridging模型对半刚性抛光盘抛光过程进行了理论模拟,对其贴合特性进行了研究分析。实验结果表明:采用多磨头组合抛光的技术能够有效改善大尺寸非球面元件的面形中频误差,加工的两件?460 mm离轴抛物面元件面形PSD1值相对于之前降低了近70%,达到2.835 nm,并且PV小于0.16λ(632.8 nm),RMS小于0.02λ。     

大口径轻质非球面反射镜制造技术研究

研制某卡塞格林光学系统的关键技术之一是通光口径超过1000mm的轻质抛物面主反射镜。该反射镜相对口径为1/2,减重率为65%,是目前国内最大口径的轻质非球面反射镜。成功地解决了大口径轻质镜坯的制造和大口径轻质非球面镜的加工与检测方面的难题。通过对高比刚度轻质镜的设计和进行CAD工程分析以及选用合理的光学材料,采用计算机控制的数控钻铣技术制造出了反射镜镜坯。在经典光学加工技术的基础上,摸索到了针对大口径轻质镜的支撑、加工与检测方面的技术。检测结果表明,该反射镜的研制达到了各项设计指标,其面形精度的均方根值RMS=0 029λ(λ=633nm)。     

离轴非球面零位补偿检验的非线性畸变校正

在大口径、快焦比非球面的补偿检验中，入射光线在短距离内发生大角度急剧折转，导致干涉仪面形检验结果图像产生非线性畸变，严重影响了数控小磨盘抛光的位置精度和误差去除效率。为了校正离轴非球面在补偿检验中产生的图像畸变，提出了一种校正非线性畸变图像的方法，通过同心环带法确定畸变中心位置并利用光线追迹建立被检镜到干涉图的映射关系。针对某一光学系统的520 mm×250 mm的离轴抛物面主镜进行了畸变图像的校正，校正结果面形与工件面形的位置偏差降到1 mm以下，满足小磨盘抛光的工作要求。     

矩形口径离轴非球面在数控加工过程中的检测

介绍了空间相机中的离轴非球面第三反射镜 (矩形口径 )在数控加工过程中在研磨和抛光阶段的检测情况。利用自行研制的非球面测量机对研磨阶段离轴非球面的面形精度进行了测量 ,其最后的研磨精度达到了 1 μm(RMS)。抛光阶段离轴非球面的检测采用的是补偿法 ,其中零位补偿器是补偿检验的关键元件。该离轴非球面的最终面形达到了在 2 0 0mm通光口径内约λ/30的精度 (λ=0 .632 8μm)。     

纳米级面形精度光学平面镜加工

为实现纳米级面形精度光学平面镜的高效精密抛光,提出了一种由传统环带抛光技术和先进离子束抛光技术相结合的组合式加工方法。介绍了环带抛光技术和离子束抛光技术的原理,通过实验研究了离子束抛光的材料去除函数,并采用这种组合抛光方法对口径为150 mm的平面镜进行抛光,抛光后平面镜的面形误差和表面粗糙度分别达到1.217 nm RMS和0.506 nm RMS。实验结果表明,这种组合抛光技术适合纳米级面形精度光学平面镜的加工。     

矩形口径离轴非球面镜的加工与检测

介绍了240mm×180mm矩形口径离轴双曲面反射镜的加工与检测。提出了一种通过配块把矩形镜拼接成母镜来实现离轴镜加工的方法。完成了最佳比较球面和最大非球面度等工艺参数的计算。抛光阶段的非球面检测采用零位补偿法,其中零位补偿器是补偿检验中的关键元件。该离轴双曲面镜的最终面形RMS达到了0.02λ,满足了设计要求。     

空间遥感器高体份SiC/Al复合材料反射镜组件设计

为消除反射镜与支撑结构材料线胀系数差异产生的热变形对反射镜面形精度、系统成像质量的影响, 采用高体份SiC/Al复合材料作为新型反射镜组件的材料。首先, 通过合理的结构设计及有限元分析比较, 确定了Ф600 mm口径反射镜结构参数, 然后, 对反射镜组件进行了静力学和动力学分析, 在1 g重力载荷作用下, 反射镜X、Y、Z方向去除刚体位移后的镜面变形RMS值分别为12.6, 12.7, 12.6 nm, 达到了λ/50(λ=632.8 nm)。最后, 为了验证高体份SiC/Al复合材料反射镜组件的结构性能及检验结构在振动条件下的抗干扰能力, 对反射镜组件进行了力学试验, 反射镜组件的一阶谐振频率为556.6 Hz。力学试验前后, 反射镜镜面面形误差RMS分别为0.021λ、0.025λ, 没有明显变化。实验结果表明:高体份SiC/Al复合材料反射镜达到了与SiC材料反射镜相同的设计指标要求, 能够满足空间应用。